По сравнению с другими видами транспорта автомобильный транспорт наиболее агрессивен по отношению к окружающей среде. Он является мощным источником ее химического (поставляет в окружающую среду громадное количество ядовитых веществ), шумового и механического загрязнения. Следует подчеркнуть, что с увеличением автомобильного парка уровень вредного воздействия автотранспорта на окружающую среду интенсивно возрастает. Так, если в начале 1970-х гг. доля загрязнений, вносимых в атмосферу автомобильным транспортом, в среднем составляла 13 %, то в настоящее время она достигла 50 % и продолжает расти. А для городов и промышленных центров доля автотранспорта в общем объеме загрязнений значительно выше и доходит до 70 % и более, что создает серьезную экологическую проблему, сопровождающую урбанизацию.
В автомобилях имеется несколько источников токсичных веществ, основными из которых являются три (рис. 1): отработавшие газы (CO, CH, NOx и др.), картерные газы и топливные испарения (CH).
Наибольшая доля химического загрязнения окружающей среды автомобильным транспортом приходится на отработавшие газы двигателей внутреннего сгорания.
Рис. 1. Источники образования токсичных выбросов: 1—картерные газы; 2 — топливные испарения; 3 — отработавшие газы
Теоретически при полном сгорании топлива в результате взаимодействия углерода и водорода (входят в состав топлива) с кислородом воздуха образуется углекислый газ и водяной пар. Реакции окисления при этом имеют вид:
Практически же вследствие физико-механических процессов в цилиндрах двигателя действительный состав отработавших газов очень сложный и включает более 200 компонентов, значительная часть которых токсична (табл. 1).
Таблица 1. Основные компоненты отработавших газов автомобильных двигателей
| Компоненты | Двигатель | |
| бензиновый | дизельный | |
| Азот N, % объема | 74…77 | 76…78 |
| Кислород O2, % объема | 0,2…8,0 | 2…18 |
| Пары воды Н2О, % объема | 3,0…13,5 | 0,5…10,0 |
| Углекислый газ СО2, % объема | 5,0…12,0 | 1…12,0 |
| Углеводороды, СН (суммарно), % объема | 0,2…3,0 | 0,01…0,50 |
| Угарный газ СО, % объема | 0,1…10,0 | 0,01…0,30 |
| Оксид азота NOx, % объема | 0,0…0,6 | 0,005…0,200 |
| Альдегиды, % объема | 0,0…0,2 | 0,0…0,06 |
| Оксиды серы (суммарно), % объема | 0,0…0,003 | 0,0…0,015 |
| Сажа, мг/м3 | 0,0…100 | 0,0…20 000 |
| Бенз(а)пирен, мг/м3 | 0,0…25 | 0,0…10,0 |
| Соединения свинца, мг/м3 | 0,0…60 | — |
К токсичным компонентам отработавших газов относятся: оксид углерода (угарный газ), углеводороды, оксиды азота и серы, альдегиды, сажа, бенз(а)пирен и соединения свинца. Различие в составе отработавших газов бензиновых и дизельных двигателей объясняется большим коэффициентом избытка воздуха α (отношение действительного количества воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, к количеству воздуха, теоретически необходимому для сгорания 1 кг топлива) у дизельных двигателей и лучшим распыливанием топлива (впрыск топлива).
Причиной образования оксида углерода CO и частично углеводородов является неполное сгорание углерода (массовая доля которого в бензинах достигает 85 %) из-за недостаточного количества кислорода. Поэтому концентрации оксида углерода и углеводородов в отработавших газах возрастают при обогащении смеси (α < 1). Диоксид углерода СО2 является не токсичным, но вредным веществом в связи с фиксируемым повышением его концентрации в атмосфере планеты и влиянием на изменение климата.
Основная доля образовавшихся в камере сгорания СО окисляется до СО2, не выходя за пределы камеры, так как замеренная объемная доля диоксида углерода в отработавших газах составляет 10…15 %, т.е. в 300–450 раз больше, чем в атмосферном воздухе.
Углеводороды — многочисленные соединения различного типа (например, C6H6 или C8H18), состоящие из исходных или распавшихся молекул топлива. Их содержание увеличивается не только при обогащении, но и при обеднении смеси (α > 1,15), что объясняется повышенным количеством непрореагировавшего (несгоревшего) топлива из-за избытка воздуха и пропусков воспламенения в отдельных цилиндрах. Образование углеводородов происходит также из-за того, что у стенок камеры сгорания температура газов недостаточно высока для сгорания топлива, поэтому здесь пламя гасится и полного сгорания не происходит. Наиболее токсичны полициклические ароматические углеводороды.
В дизельных двигателях легкие газообразные углеводороды образуются при термическом распаде топлива в зоне срыва пламени, в ядре и в переднем фронте факела, на стенках камеры сгорания и в результате вторичного впрыскивания (подвпрыскивания). Оксиды азота NOx представляют набор следующих соединений: N2О, NO, N2О3, NО2, N2О4 и N2O5. В отработавших газах автомобильных двигателей преобладает NO (99 % в бензиновых двигателях и более 90 % в дизелях). В камере сгорания NO может образовываться:
- при высокотемпературном окислении азота воздуха (термический NО);
- в результате низкотемпературного окисления азотсодержащих соединений топлива (топливный NO);
- из-за столкновения углеводородных радикалов с молекулами азота в зоне реакций горения при наличии пульсации температуры (быстрый NO).
Оксиды серы образуются при сгорании серы, содержащейся в топливе по механизму, схожему с образованием СО.
Твердые частицы включают нерастворимые (твердый углерод, оксиды металлов, диоксид кремния, сульфаты, нитраты, асфальты, соединения свинца) и растворимые в органическом растворителе (смолы, фенолы, альдегиды, лак, нагар, тяжелые фракции, содержащиеся в топливе и масле) вещества.
Сажа (твердый углерод) является основным компонентом нерастворимых твердых частиц. В состав твердых частиц кроме сажи входят соединения серы, свинца.
Основными соединениями свинца в отработавших газах автомобилей являются хлориды и бромиды, а также (в меньших количествах) оксиды, сульфаты, фториды, фосфаты и некоторые их промежуточные соединения, которые при температуре ниже 370 °С находятся в виде аэрозолей или твердых частиц. Около 50 % свинца остается в виде нагара на деталях двигателя и в выхлопной трубе, остаток уходит в атмосферу с отработавшими газами. Большое количество соединений свинца выбрасывается в воздух при использовании этого металла в качестве антидетонатора. В настоящее время соединения свинца в качестве антидетонаторов не применяются.
Концентрацию токсичных компонентов в отработавших газах оценивают в объемных процентах, миллионных долях по объему (млн-1, т.е. частей на миллион, 10 000 ррm = 1 % по объему) и, реже, в миллиграммах на 1 л отработавших газов.
При отсутствии замкнутой вентиляции картера двигателя, а также испарения топлива из топливной системы источниками загрязнения окружающей среды автомобилями с карбюраторными двигателями являются картерные газы.
Автомобиль также является источником загрязнения воздуха пылью.
Растворенные в атмосферной влаге продукты сгорания автомобильного топлива — оксиды азота и серы — являются причиной выпадения кислотных дождей.
Автомобиль — сильный загрязнитель водоемов, подземных водных источников. Определено, что 1 л нефти может сделать непригодным для питья несколько тысяч литров воды.
Большой вклад в загрязнение окружающей среды вносят процессы ТО и ремонта подвижного состава, которые требуют энергетических затрат и связаны с большим водопотреблением, выбросом загрязняющих веществ в атмосферу, образованием отходов, в том числе токсичных (табл. 2).
При эксплуатации автомобилей образуются сточные воды. Состав и количество этих вод различны. Сточные воды возвращаются обратно в окружающую среду, главным образом в объекты гидросферы (реки, каналы, озера, водохранилища) и суши (поля, накопители, подземные горизонты и др.). В зависимости от вида производства сточными водами на предприятиях транспорта могут являться:
- сточные воды от мойки автомобилей;
- нефтесодержащие стоки от производственных участков (моющие растворы);
- сточные воды, содержащие тяжелые металлы, кислоты, щелочи;
- сточные воды, содержащие краску, растворители.
В процессе проведения малярных работ (методом пневматического распыления) 40 % лакокрасочных материалов поступает в воздух рабочей зоны. При проведении этих операций в окрасочных камерах, оборудованных гидрофильтрами, 90 % этого количества оседает на элементах самих гидрофильтров, 10 % уносится с водой. Таким образом, в сточные воды окрасочных участков попадает до 4 % израсходованных лакокрасочных материалов.
Таблица 2. Источники выделения и состав вредных веществ в производственных процессах на эксплуатационных и ремонтных предприятиях транспорта
| Название зоны, участка, отделения | Производственный процесс | Используемое оборудование | Выделяющиеся вредные вещества |
| Участок мойки подвижного состава | Омывка наружных поверхностей | Механическая мойка (моечные машины), шланговая мойка | Пыль, щелочи, синтетические ПАВ, нефтепродукты, растворяемые кислоты, фенолы |
| Зоны ТО, участок диагностики | ТО, диагностирование | Подъемно-транспортирующие устройства, смотровые канавы, стенды, оборудование для замены смазки, комплектующих, система вытяжной вентиляции | Оксид углерода, углеводороды, оксиды азота, масляный туман, сажа, пыль |
| Слесарномеханическое отделение | Слесарные, расточные, сверлильные, строгальные работы | Токарный, вертикально-сверлильный, строгальный, фрезерный, шлифовальный станки и др. | Пыль абразивная, металлическая стружка, масляный туман, эмульсии |
| Электротехническое отделение | Заточные, изолировочные, обмоточные работы | Заточной станок, электролудильные ванны, оборудование для пайки, стенды испытаний | Абразивная и асбестовая пыль, канифоль, пары кислот |
| Аккумуляторный участок | Сборочно-разборочные и зарядные работы | Ванны для промывки и очистки, сварочное оборудование, стеллажи, система вытяжной вентиляции | Промывочные растворы, пары кислот, электролит, шламы, промывочные аэрозоли |
| Отделение топливной аппаратуры | Регулировочные и ремонтные работы по топливной аппаратуре | Проверочные стенды, специальная оснастка, система вентиляции | Бензин, керосин, дизельное топливо, ацетон, бензол, ветошь |
| Кузнечнорессорное отделение | Ковка, закалка, отпуск металлических изделий | Кузнечный горн, термические ванны, система вытяжной вентиляции | Угольная пыль, сажа, оксиды углерода, азота, серы, загрязненные сточные воды |
| Медницкожестяницкое отделение | Резка, пайка, правка, формовка по шаблонам | Ножницы по металлу, оборудование для пайки, шаблоны, система вентиляции | Пары кислот, наждачная и металлическая пыль и отходы |
| Сварочное отделение | Электродуговая и газовая сварка | Оборудование для дуговой сварки, ацетилено-кислородный генератор, система вытяжной вентиляции | Минеральная пыль, сварочный аэрозоль, оксиды марганца, азота, хрома, хлористый водород, фториды |
| Арматурное отделение | Резка стекол, ремонт дверей, полов, сидений, внутренней отделки | Электрический и ручной инструмент, сварочное оборудование | Пыль, сварочные аэрозоли, древесная и металлическая стружка, металлические и пластмассовые отходы |
| Обойное отделение | Ремонт и замена изношенных, поврежденных сидений, полок, кресел, диванов | Швейные машины, раскройные столы, ножи для кройки и резки поролона | Пыль минеральная и органическая, отходы тканей и синтетических материалов |
| Участок шиномонтажа и ремонта шин | Разборка и сборка шин, ремонт покрышек и камер, балансировочные работы | Стенды для разборки и сборки шин, оборудование для вулканизации, станки для динамической и статической балансировки | Минеральная и резиновая пыль, сернистый ангидрид, пары бензина |
| Участок лакокрасочных покрытий | Удаление старой краски, обезжиривание, нанесение лакокрасочных покрытий | Оборудование для пневматического или безвоздушного распыления, ванны, сушильные камеры, система вентиляции | Пыль минеральная и органическая, пары растворителей, аэрозоли красок, загрязненные сточные воды |
| Участок обкатки двигателей (для ремонтных предприятий) | Холодная и горячая обкатка двигателя | Стенд для обкатки, система вытяжной вентиляции | Оксиды углерода, азота, углеводороды, сажа, сернистый ангидрид |
| Стоянки и места отстоя подвижного состава | Перемещение единиц подвижного состава, ожидание | Оборудованная площадка открытого или закрытого хранения | То же |
Ремонтные работы сопровождаются также загрязнением почвы, накоплением металлических, пластмассовых и резиновых отходов вблизи производственных участков и отделений.
В автотранспортных организациях (АТО) образуется также значительное количество промышленных отходов. Большая часть из них представляет собой вторичное сырье, которое целесообразно перерабатывать. Поэтому отслужившие аккумуляторы и шины, отработанные масла, пластические смазки, технические жидкости и другие отходы необходимо тщательно собирать и хранить в металлической таре на специально оборудованной для этого площадке, не допуская тем самым загрязнения ими ливневых вод и почвы. Объемы отходов не должны превышать значений, оговоренных в разрешении на их хранение, выданном АТО органами санитарно-эпидемиологического надзора. Их следует периодически вывозить в места утилизации или сдавать специализированным организациям, занимающимся сбором и переработкой вторичного сырья.
Таким образом, правильная организация работы с отходами на АТО позволяет решить сразу две важных задачи — снизить загрязнение окружающей среды и одновременно обеспечить качественное сырье для производства промышленных изделий и материалов, в том числе автомобильных (масла, аккумуляторы и др.).
Наряду с другими видами транспорта, промышленным оборудованием, бытовыми приборами автомобиль является источником искусственного шумового фона города, как правило, отрицательно воздействующего на человека. Перед населением современных городов возникает серьезная проблема борьбы с шумом, так как сильный шум не только ведет к потере слуха, но и вызывает психические расстройства. Опасность шумового воздействия усугубляется свойством человеческого организма накапливать акустические раздражения. Под действием шума определенной интенсивности возникают изменения в циркуляции крови, работе сердца и желез внутренней секреции, снижается мышечная выносливость.
Опасным является также инфразвук, т.е. звук с частотой менее 17 Гц. Его воздействие на организм вызывает сонливость, ухудшение остроты зрения и замедленную реакцию на опасность.